Содержание к диссертации
Стр.
ВВЕДЕНИЕ 4
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 7
Основные физико-механические свойства почв и виды основной
обработки почвы 7
Почвенно-климатические условия Новосибирской области 18
Основные тенденции совершенствования почвообрабатывающих
орудий для основной обработки почвы (плугов) 23
Анализ направлений совершенствования орудий для основной
обработки почвы 23
Анализ направлений совершенствования рабочих органов орудий
для основной обработки почвы 32
Направления исследований по обоснованию конструктивных па
раметров стоек рабочих органов почвообрабатывающих орудий 39
Выводы, цель и задачи исследований 45
2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 47
Характеристики силового нагружения плужного корпуса 47
Влияние координат расположения стойки относительно лемеш-
но-отвальной поверхности на ее силовое нагружение 56
Влияние конструкционной жесткости стойки на тяговое сопро
тивление рабочего органа 63
Обоснование основных конструктивных параметров профилей
стойки рабочего органа 71
3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 79
Программа экспериментальных исследований 79
Методика определения влияния координат расположения стойки
на её силовое нагружение 80
Приборы и оборудование, используемые при проведении экспериментов 80
Планирование эксперимента 82
Методика определения влияния конструкционной жесткости на величину тягового сопротивления рабочего органа 87
Методика обработки результатов эксперимента 89
3.5. Методика оценки точности измерений 91
3.6 Стенд для ускоренных испытаний на надежность рабочих орга
нов почвообрабатывающих орудий 94
4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 103
Результаты экспериментальных исследований влияния координат расположения стойки на её силовое нагружение 103
Результаты экспериментальных исследований влияния конструкционной жесткости стойки на величину тягового сопротивления, частоту и амплитуду колебаний рабочего органа 107
4.3 Методика выбора рациональных конструктивных
параметров стойки рабочего органа 110
5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ
ИССЛЕДОВАНИЙ 115
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 117
ЛИТЕРАТУРА 119
ПРИЛОЖЕНИЯ 133
Введение к работе
В современных условиях самым распространенным способом создания благоприятных условий для произрастания культурных растений остается механическая обработка почвы. Повышения эффективности производства сельскохозяйственной продукции и обеспечение населения продуктами питания требует использования современных высокопроизводительных и экономичных сельскохозяйственных машин.
В настоящее время особенно актуальны для сельскохозяйственного производства задачи энерго- и ресурсосбережения. Так на единицу конечной продукции в России расходуется в 5 раз больше энергии и в 4 раза больше металла, чем в США. Затраты на основную обработку почвы составляют значительную долю (до 40%) в себестоимости сельскохозяйственной продукции и в основном определяют конкурентоспособность конечного продукта. Основная обработка почвы - наиболее энергоемкая и трудоемкая операция при возделывании сельскохозяйственных культур, является распространенным способом воздействия на почву с целью создания условий наиболее благоприятных для произрастания культурных растений.
Основными направлениями совершенствования почвообрабатывающих орудий являются повышение качества обработки почвы и снижение затрат энергии и материалов на её проведение.
Одним из направлений совершенствование конструкций почвообрабатывающих орудий с целью снижения энергоемкости и материалоемкости обработки почвы является оптимизация конструктивных параметров отдельных деталей с учетом реальных сил, действующих на них.
При выполнении технологического процесса рабочие органы орудий для основной обработки почвы подвергаются силовому нагружению по величине значительно превышающему силовое нагружение рабочих органов других почвообрабатывающих орудий. Поэтому к прочности отдельных деталей рабо-
чих органов орудий для основной обработки почвы предъявляются особые требования.
Цель работы. Повышение эффективности обработки почвы за счет снижение тягового сопротивления и уменьшения металлоемкости рабочих органов почвообрабатывающих орудий.
Объект исследований: процесс силового нагружения стойки рабочего органа почвообрабатывающего орудия при выполнении вспашки.
Предмет исследования: закономерности изменения силового нагружения стойки рабочего органа от её конструктивных параметров, глубины и скорости обработки почвы.
Научная новизна работы. Получены зависимости силового нагружения стойки рабочего органа от координат расположения относительно лемеш-но-отвальной поверхности, обоснованы оптимальные координаты, обеспечивающие минимальное нагружение стойки при его максимальном нагружении. Получены зависимости тягового сопротивления, амплитуды и частоты колебаний рабочего органа от конструкционной жесткости стойки.
Практическая значимость. Разработана методика расчета рациональных конструктивных параметров стойки плужного корпуса, которая может быть использована конструкторскими бюро при разработке орудий для основной обработки почвы. Реализация результатов исследований обеспечивает снижение тягового сопротивления рабочих органов плуга на 12-15%, массы плужного корпуса на 18-20%, снижение расхода топлива на 11-13%о. Использование стендов для ускоренных испытаний рабочих органов почвообрабатывающих орудий, позволяет сократить сроки ресурсных испытаний с 5 лет в условиях реальной эксплуатации до 3 месяцев на лабораторном стенде.
Реализация результатов исследований. Результаты исследований внедрены в ОАО «Агро» Кемеровской области.
Апробация работы. Основные положения работы доложены на научно-практических конференциях Новосибирского государственного аграрного
университета в 2001-2003 гг. В полном объеме диссертация доложена и обсуждена на научно-практическом семинаре Инженерного института Новосибирского государственного аграрного университета.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, из них 3 авторских свидетельства на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы (137источников), приложения и содержит 145 страниц, включая 55 рисунков и 7 таблиц.
Работа выполнена автором на кафедре «Надежность и ремонт машин» Новосибирского государственного аграрного университета по теме НИР «Разработка новых конструкций рабочих органов почвообрабатывающих орудий для реализации интенсивных технологий возделывания сельскохозяйственных культур» (номер государственной регистрации 0190.0 067028).
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ 1.1 Основные физико-механические свойства почв и виды основной обработки почвы В сельском хозяйстве почва является основным средством производства, обеспечивающим возможность выращивания необходимых растений и получения требуемых для человека продуктов питания. Научное определение почвы дано В.В. Докучаевым: «Почвой следует называть «дневные» или наружные горизонты горных пород (все равно каких) естественно измененных совместным воздействием воды, воздуха, и различного рода организмов» [88]. Р.В. Вильяме в качестве важнейшего свойства, отличающего почвы от горной породы, выделил плодородие, т.е. способность почвы удовлетворять потребности растений в элементах питания, воде, обеспечивать их корневые системы достаточным количеством воздуха, тепла для нормальной жизнедеятельности, определяя почву как «поверхностный горизонт суши земного шара, способный производить урожай растений»[30].
Именно плодородие определяет народнохозяйственное значение почвы,' поэтому деятельность человека в сельском хозяйстве направлена на повышение плодородия почвы. Плодородие не является абсолютным, постоянным свойством почвы, оно находится в тесном взаимодействии с конкретными растениями, зависит от их потребностей. Различают природное, эффективное и потенциальное плодородие. Для человека наиболее значимо эффективное плодородие, которое проявляется при возделывании сельскохозяйственных культур и измеряемое урожайностью этих культур. Эффективное плодородие является результатом воздействия человека на почву с некоторым природным плодородием и зависит от количества и качества вложенного в почву труда. Одним из способов повышения эффективного плодородия почвы является механическая обработка почвы. Причем, исследования показывают [35, 88, 89], что долевое участие обработки почвы в повышении урожая культур выше на неокультурен-ных почвах. Таким образом, для большинства регионов России (Западной Си-
бири) именно обработка имеет решающее значение в повышении урожаев [35,36].
Почва состоит из твердых частиц, почвенной воды, почвенного воздуха и живых организмов. К твердой части почвы, кроме минеральных частиц, относятся органические вещества, в частности гумус. Гумус и минеральные коллоиды играют важную роль в образовании структуры, в значительной степени, определяющей плодородие почв. Структурное состояние и физико-механические свойства почвы влияют и на энергоемкость её обработки.
Совокупность агрегатов (отдельностей) различной величины, формы и качественного состава называется почвенной структурой. Агрономическое значение структуры заключается в том, что она оказывает большое влияние на все свойства почв, а, следовательно, и на условия произрастания растений. Кроме того, структура почвы определяет физико-механические свойства почвы, влияющие на энергоемкость обработки почвы. Наиболее агрономически ценными считаются макроагрегаты размером 0,25-10 мм [88,89]. Наличие в почве таких макроагрегатов придает ей рыхлое строение, облегчает прорастание семян и распространение корней, улучшает доступность к корневой системе растений воздуха, воды и питательных веществ, снижает затраты энергии на механическую обработку почвы [19, 20, 89].
В почвоведении известны четыре гипотезы формирования структуры почвы: капиллярная, коагуляционная, цементации и склеивания [35, 88, 89]. Все гипотезы предполагают соединение микроагрегатов в макроагрегаты. В образовании водопрочной структуры большое значение принадлежит почвенным коллоидам (органическим и минеральным). Наиболее водопрочная структура образуется при участии гуминовых веществ [88,89].
Преобладание процессов образования или разрушения почвенной структуры, условия работы почвообрабатывающих агрегатов, величина и характер силового нагружения рабочих органов в значительной степени определяются свойствами и характеристиками обрабатываемой почвы.
Наиболее стабильной характеристикой, определяющей основные свойства почвы, является её механический состав. В настоящее время широко распространена классификация почв по механическому составу Каминского Н.А.[20]. В основу классификации положено соотношение физического песка и физической глины. Частицы размером более 1 мм относятся к каменистой части, в пределах от 0,01 до 1мм объединены в группу называемую физическим песком, все частицы менее 0,01мм в группу называемую физической глиной.
Таблица 1.1- Классификация пахотных почв по механическому составу
(по Н.А.Качинскому)
Анализ результатов бонитировки различных по механическому составу почв показывает, что высоким плодородием обладают суглинистые почвы, имеющие хорошую структуру [19, 20]. Хотя механический состав наиболее стабильная характеристика почвы многие авторы указывают на неоднородность механического состава даже в пределах внешне однородного поля.
Таблица 1.2 - Влияние механического состава почвы на удельное
сопротивление и износ рабочих органов
почвообрабатывающих орудий при вспашке [59]
Физико-механические свойства почвы (твердость, пластичность, связность, липкость, усадка, сопротивление, оказываемое почвой при ее обработке) определяют её реакцию на внешние и внутренние воздействия. Физико-механические свойства почвы являются первостепенным признаком затрат энергии на обработку почвы, определяют требования к прочности почвообрабатывающих орудий в целом, а также их отдельных деталей. Физико-механические свойства зависят от механического состава, влажности почвы, структурного состояния почвы, климатических условий, и подвержены значительным изменениям во времени.
Твердость - свойство почвы в естественном залегании сопротивляться сжатию и расклиниванию и характеризуется величиной сопротивления вхож-
дению в неё плунжера. Измеряется твердомером, выражается в кг/см (Н/м ) и колеблется в пределах от 5 до 60 кг/см и выше.
Твердость также отражает силу сцепления частиц почвы, а после нарушения сцепления - силу трения почвы о металл. Твердость почвы зависит от механического состава и структуры почвы, влажности и плотности, от содержания растительных остатков и солей, от характера растительности и её корневой системы. Исследователями [20, 63 и др.] отмечается зависимость твердости почв от механического состава и влажности. Указывается, что твердость почвы тем выше, чем тяжелее механический состав и ниже содержание в ней перегноя. По данным П.У.Бахтина [19] отмечается обратная зависимость твердости от влажности.
Твердость в значительной степени отражает сопротивление, испытываемое почвообрабатывающими орудиями при обработке почвы, и является показателем механических свойств почвы как объекта обработки.
Липкость - способность влажной почвы прилипать к другим телам. Это свойство проявляется в определенных интервалах влажности, когда сцепление между почвенными частицами меньше, чем между ними и соприкасающейся поверхностью. Определяется силой, необходимой для отрыва металлической
9 _
пластинки от почвы, и выражается в г/см . По липкости почвы подразделяются
[19, 20]: на предельно вязкие (>15 г/см ), сильновязкие (5-15 г/см ), средневяз-
кие (2-5 г/см ) и слабовязкие (< 2 г/см ). Липкость оказывает отрицательное влияние на условия обработки почвы. Прилипание почвы к рабочим органам почвообрабатывающих орудий приводит к увеличению тягового сопротивления и ухудшению качества обработки почвы.
Связность - способность почвы сопротивляться внешнему усилию, стремящемуся разъединить почвенные частицы. Наибольшей связностью обладают глинистые почвы. Оструктуренные почвы обладают меньшей связностью.
Учет связности имеет большое значение для обеспечения качества обработки
почвы.
В качестве важнейшей харак
теристики, позволяющей оце
нить затраты энергии на об
работку почвы, а также за
дающей требования к проч
ности отдельных деталей
почвообрабатывающих ору
дий, используется удельное
сопротивление почвы [19,20
и др.]. Удельное сопротивле
ние почв (Н/м2) определяется
10 15 20 25 W.,%
как отношение тягового со-
Рис. 1.1 Изменение удельного сопротивления
противления почвообрабаты-
k с увеличением влажности (по П.У.Бахтину)
вающего орудия к площади
поперечного сечения обрабатываемого пласта почвы. Удельное сопротивление почвы является характеристикой зависящей от многих факторов и характеристик почвы и, в частности, от механического состава, структурного состояния, влажности, физико-механических свойств, климатических условий (Рис. 1.1).
Физико-механические свойства, состояние почвенной структуры очень сильно зависит от влажности почвы. Изменение влажности способствует образованию почвенных отдельностей (образование трещин при высыхании почв). Решающее значение оказывает влажность почвы на качества структуры получаемой в результате обработки. При этом если для тяжелых почв оптимальная влажность является решающим фактором для проведения обработки, то для легких почв влажность играет меньшую роль. Оптимальная влажность, при которой почва готова к проведению механической обработки, называется "физической спелостью почвы". В этом состоянии почва готова к разделению на от-
дельности и при проведении обработки обеспечивается высокое качество при минимальных энергетических затратах. Так для большинства суглинистых почв оптимальной для обработки считается относительная влажность 60-70% [19, 24]. При этом отмечается динамичность физической спелости одной и той же почвы, обусловленная влиянием скорости обработки, плотностью, задере-венелостью.
Принимая во внимание, что влажность почвы меняется в значительных пределах, высокое качество можно обеспечить, проводя обработку почвы при оптимальной влажности, которая сохраняется ограниченное время, что в свою очередь требует использования высокопроизводительных почвообрабатывающих орудий.
В зависимости от количества и качества органического вещества, механического состава, влажности почвы, применяемого орудия и других условий при которых проводится обработка, могут преобладать процессы или создания или разрушения почвенной структуры. Длительное использование интенсивных технологий, без учета реальных почвенно-климатических условий и состояния почвы приводит к потере почвенного плодородия, развитию различных видов эрозии. Для снижения вредного воздействия обработки на почву получили развитие почвозащитные технологии.
Большое разнообразие почвенно-климатических условий, разнообразие и изменчивость свойств почв обуславливают необходимость разработки новых методов и орудий для обработки почвы, а также совершенствования существующих конструкций почвообрабатывающих орудий с целью повышения качества и эффективности обработки почвы.
При современном уровне развития техники и технологий механическая обработка почвы останется основным способом создания благоприятных условий для произрастания культурных растений.
В зависимости от количества и качества органического вещества, механического состава, влажности почвы, применяемого орудия и других условий
при которых проводится обработка, могут преобладать процессы или создания или разрушения почвенной структуры.
Наибольшие изменения в состояние почвенной структуры вносит основная обработка почвы - первая, наиболее глубокая обработка после предшествующей культуры. В зависимости от почвенно-климатических условий, особенностей возделываемой культуры, агротребований и других факторов применяются различные системы обработки почвы. При выборе конкретного способа обработки необходимо учитывать большое количество факторов (физико-механические и технологические свойства почв, особенности возделываемых культур, техническая оснащенность хозяйств и др.).
Несмотря на развитие различных почвозащитных технологий, отвальная вспашка остается преобладающим способом обработки почв в большинстве почвенно-климатических зон [65, 66, 109,130 и др.]. Обработка почвы с оборотом почвенного пласта, проводимая отвальными плугами, обеспечивает качественное крошение почвенного пласта, заделку пожнивных остатков и удобрений.
Для обеспечения высокого качества обработки почвы при отвальной вспашки разработаны и используются различные способы оборота пласта и рабочие органы для их осуществления [84, 93,109,130].
Кроме несомненных достоинств, традиционная отвальная вспашка имеет и серьезные для современного земледелия недостатки. Так при вспашке на постоянную глубину образуется плотная плужная подошва, которая приводит к развитию эрозионных процессов, вымыванию питательных веществ и другим негативным процессам [88, 90, 136]. Существенным недостатком отвальной вспашки является высокая энергоемкость. На вспашку приходится около 40% материальных и энергетических затрат в растениеводстве [65, 109]. Необоснованно частая вспашка, обработка почвы при неблагоприятных условиях, вынос на поверхность глубинных слоев почвенного пласта, интенсивное крошение
почвы приводит к разрушению почвенной структуры, развитию эрозии почв [70, 90].
Появление и развитие почвозащитных технологий обработки почвы обусловлено необходимостью эффективной борьбы с ветровой и водной эрозией, особенно проявившимися во второй половине 20 века. В качестве почвозащитных технологий можно выделить минимальную и нулевую обработку почвы [70, 77, 90 и др.]. Минимальная обработка включает в себя гребневую, полосную, мульчирующую и сокращенную обработки.
Для районов подверженных ветровой эрозии Всесоюзным институтом зернового хозяйства разработана почвозащитная система обработки почвы, включающая глубокое рыхление с сохранением на поверхности стерни и пожнивных остатков (плоскорезная обработка) и поверхностную обработку [70,90]. Стерня и пожнивные остатки, сохраняемые на поверхности поля, препятствуют развитию эрозии. Однако, при плоскорезной обработке происходит постепенное истощение поверхностного слоя почвы, из-за отсутствия перемешивания почвенного пласта. Кроме того, в поверхностном слое накапливаются семена сорных растений и возбудителей болезней, что приводит к необходимости использования для борьбы с ними гербицидов. Т.С.Мальцевым разработана система безотвальной обработки с систематическим чередованием глубоких (в пару) и мелких рыхлений [70]. Глубокое рыхление проводится периодически через 4-5 лет.
Минимальная обработка почвы состоит в ограничении количества традиционных обработок, сокращении числа проходов сельскохозяйственной техники по полю с целью уменьшения трудовых и энергетических затрат, снижения вредного воздействия на почву [45,90,77,109]. Снижение числа проходов сельскохозяйственной техники по полю достигается при использовании комбинированных агрегатов, выполняющих несколько операций за один проход.
Нулевая обработка заключается в предельном снижении механического воздействия на почву, которое достигается при высеве семян специальными
сеялками в необработанную почву [64,77,109]. Широкое распространение нулевой обработки сдерживается низкой производительностью агрегатов, наличии на поверхности поля пожнивных остатков, необходимости применения гербицидов для борьбы с сорняками.
Использование мощных энергонасыщенных тракторов, многократные проходы тяжелой сельскохозяйственной техники по полям привели к тому, что в настоящее время остро встали проблемы связанные с переуплотнением почв [86, 121, 131]. Переуплотнение почвы приводит к разрушению почвенной структуры, нарушению водного, воздушного, теплового режимов, и как следствие - к снижению плодородия почвы. С целью устранения переуплотнения почвы, разрушения плотной плужной подошвы выполняется глубокое рыхление, которое проводится чизельными плугами или глубокорыхлителями. При глубине обработки 35-50см рыхление проводится вместо отвальной вспашки или плоскорезной обработки, при глубине 50-120см - как самостоятельная дополнительная обработка почвы. Глубокое рыхление очень энергоемкая операция не решающая всех проблем связанных с переуплотнением почв.
В результате совершенствования рабочих органов чизельных плугов было создано почвообрабатывающее орудие (рыхлитель) «Paraplow»[109]. При обработке почвы рыхлителем «Paraplow» в почве создаются растягивающие деформации, обеспечивающие рыхление почвы по линиям наименьших связей естественной структуры почвы, требующие наименьших энергозатрат. Также происходит ограниченное крошение почвы, незначительное повреждение растений и сохранение пожнивных остатков на поверхности поля. Почва, обработанная «Paraplow», из-за появления в ней многочисленных трещин и длительного сохранения пористого состояния обеспечивает эффективное поглощение и удержание влаги.
Значение отвальной вспашки, обеспечивающей глубокую и полную заделку растительных остатков, сохранится. Прогнозируется [65,109], что к 2010 году доля минимальной обработки будет составлять 55-60% пахотных земель
России и дальнейшего роста доли минимальной обработки почвы не будет. Обработка с оборотом пласта не только сохраняет свои позиции, но и приобретает сторонников, так как позволяет значительно сократить применение химических средств.
Совершенствование конструкций почвообрабатывающих орудий и их рабочих органов направленное на повышение качества обработки почвы при различных почвенно-климатических условиях, повышение производительности, снижение тягового сопротивления позволит значительно повысить экономическую эффективность обработки почвы.
1.2 . Почвенно-климатические условия Новосибирской области
Новосибирская область входит в Западно-Сибирский экономический район. Западно-Сибирский экономический район включает в себя Алтайский край (37,2% общей площади обрабатываемой земли), Кемеровскую (8,0%), , Омскую (22,4%), Томскую (3,4%), Тюменскую (8,9%) и Новосибирскую (20,1%) области [105].
Почвенно-климатические условия Новосибирской области отличаются большим разнообразием. На ее территории представлены все основные типы почв, находят применение системы обработки и орудия для их реализации, используемые во всех основных зонах земледелия страны. По условиям почвенного покрова, климата и растительности в пределах области выделены следующие подзоны механизации: подтайга низменности, северная лесостепь, южная лесостепь, степь и лесостепь предгорий [50,105].
Подтайга низменности включает в себя северную часть области. Климат неблагоприятный для возделывания сельскохозяйственных культур. Зима продолжительная, период с устойчивым снежным покровом составляет 165-175 дней, годовая норма осадков 350-560 мм. Тяжелый механический состав почв и равнинность рельефа обуславливают слабую дренированность почв. Преобладают подзолистые, дерново-подзолистые и болотистые почвы. Земледелие в подзоне механизации подтайга низменности основано на отвальной вспашке.
Северная лесостепь низменности прилегает к подзоне подтайга низменности и включает в себя всю центральную часть области и районы, прилегающие к Обскому морю и Салаиржскому кряжу. Климат в подзоне благоприятный для возделывания сельскохозяйственных культур. Продолжительность устойчивого снежного покрова составляет 150-160 дней. Лето сравнительно теплое, безморозный период до 120 дней, годовая норма осадков 300-400 мм. Рельеф равнинный, но распространены гривы и межгривные понижения. Почвенный покров характеризуется большой пестротой, частой сменой почв, обра-
зующих различные сочетания и комплексы. На сильно заболоченных пространствах распространены торфяно-болотистые, перегнойно-лугово-болотные и луговые почвы. В приречных полосах преобладают серые лесные почвы с легкосуглинистым и супесчаным механическим составом. На гривах преобладают выщелоченные, в разной степени солонцовые почвы, на пониженных местах -солончаково-солонцеватые комплексы. В подзоне много солонцовых почв, которые часто включены в поля с черноземными почвами.
Южная лесостепь включает Татарский, Здвинский, Барабинский, Дово-ленский, часть Чановского, Каргатского, Чулымского, Чистоозерного районов. По климату южная лесостепь является как бы промежуточной между северной лесостепью и степью. Безморозный период в этой зоне 100-127 дней, годовая норма осадков 270-450мм, почвенный покров разнообразен. В зоне распространены средние и бедные черноземы среднего и легкосуглинистого механического состава, а также солонцеватые и слабо осолоделые черноземы. Солонцеватые черноземы занимают большие площади, где они чередуются с настоящими солонцами.
В подзонах механизации северная и южная лесостепь земледелие основано на комбинированном применении и чередовании отвальной вспашки и безотвального рыхления. В этих подзонах много солонцовых почв, которые характеризуются наличием глинистых горизонтов с повышенной механической прочностью в сухом состоянии, а также низкой водопроницаемостью. На этих землях применяются почвозащитное земледелие для солонцовых почв с использованием специальных орудий.
Степная зона занимает южную часть новосибирской области (часть Ба-рабинской и Кулундинской степи). Степная зона характеризуется теплым слабо увлажненным климатом, за год в среднем выпадает 250-350 мм осадков. Почвенный покров сложный и разнообразный; на гривах - южные и обыкновенные черноземы, в межгривных понижениях - луговые и лугово-болотные солонцы. По механическому составу преобладают средне- и легкосуглинистые почвы.
Большая часть почв подвержена ветровой эрозии (до 80%), поэтому земледелие в степной зоне основано на почвозащитных технологиях с влагонакопитель-ными мероприятиями.
Лесостепь предгорий включает в себя восточные районы области прилегающие к Салаиржскому кряжу. Климат в этой зоне мягкий, безморозный период составляет 100-120 дней, за год выпадает 300-500 мм осадков. Почвы в, основном, выщелоченные и дренированные черноземы в сочетании с другими почвенными комплексами. По механическому составу почвы представлены, в основном, тяжелыми суглинками и глинами. Немало склонных земель крутизной 10-12 град. Поэтому почвы подвержены совместному действию водной (60% почв) и ветровой (10%почв) эрозии. В этой подзоне применяется почвозащитное земледелие, направленное на предотвращение развития этих видов эрозии почв.
Таблица 1.3 - Экспликация земель Новосибирской области [36]
Как видно из приведенных данных, на территории области представлены все основные классы почв по механическому составу: тяжелые (71%), сред-ние(22%)и легкие суглинки (5%), супеси и пески (2%). При перемещении с севера на юг наблюдается изменение механического состава почв на более легкие почвы, участки полей с тяжелым механическим составом почв, встречаются на всей территории области. Кроме того, при движении с севера на юг наблюдает-
ся значительное уменьшение годового количества осадков, изменения водного
режима почв.
Таблица 1.4 - Подзоны механизации и применяемые системы обработки почвы
Если на севере области значительные площади заняты болотами, то на юге области - засушливая Кулундинская степь. Эта тенденция нарушается на востоке области, в районах прилегающих к Обскому морю и Салаиржскому кряжу.
Таким образом, почвенно-климатические условия на территории области отличаются большим разнообразием, вследствие чего в зависимости от конкретных условий основная обработка почвы проводится как с оборотом почвенного пласта (подтайга низменности), так и без оборота (степь), так и с чередованием отвальной вспашки и безотвального рыхления (северная, южная лесостепь, лесостепь предгорий). Кроме того, в некоторых районах требуется применение почвозащитных систем земледелия для солонцовых почв, а также для борьбы с ветровой и водной эрозией, с использованием специальных орудий для их реализации.
На территории области находят применение все системы обработки почвы и орудия для их реализации, используемые во всех основных зонах земледелия страны.
1.3. Тенденции совершенствования почвообрабатывающих орудий для основной обработки
Несмотря на достигнутые в разработке новых систем обработки почвы и орудий для их реализации отвальная вспашка является распространенным способом основной обработки почвы. Лемешно-отвальная поверхность плужного корпуса имеет наиболее сложную форму, по сравнению с рабочими поверхностями других почвообрабатывающих орудий. Плужный корпус при работе осуществляет подрезание, подъем и оборот почвенного пласта, при этом детали рабочего органа подвергаются сложному и значительному по величине силовому нагружению. За долгий путь развития в конструкции плугов внесено множество изменений, направленных на повышение их технического уровня. Поэтому рассмотрим основные тенденции развития почвообрабатывающих орудий на примере отвальных плугов.
Обработка почвы проводится с целью создания условий, наиболее благоприятных для произрастания культурных растений. Обязательным условием при создании и совершенствовании почвообрабатывающих орудий является обеспечение требуемого качества обработки почвы, которое характеризуется постоянством глубины обработки, степенью рыхления, наличием определенных агрегатов в обработанном слое, гребнистостью поля, при проведении отвальной вспашки оборот пласта должен быть полным, с глубокой заделкой пожнивных остатков и удобрений [34,38,44 и др.].
1.3.1 Анализ направлений совершенствования орудий для основной обработки почвы Из всех направлений совершенствования почвообрабатывающих орудий приоритетными являются работы, направленные на повышение качества обработки почвы. Одним из путей повышения эффективности обработки почвы является использование орудий, обеспечивающих гладкую пахоту. Гладкая пахо-
та способствует повышению эффективности обработки почвы за счет улучшения выровненное полей, условий проведения последующих операций, сокращения времени на переезды. Наибольшее распространение в мире получили оборотные плуги (Рис. 1.2). В странах Западной Европы оборотные плуги составляют около 90% от общего числа выпускаемых плугов [65,66,133,135]. Оборотные плуги имеют специальную раму с поворотным в вертикальной плоскости брусом, на котором попарно расположены право- и левооборачи-вающие корпуса. При вспашке плуг работает поочередно то право, то левообо-рачивающими корпусами, в результате чего все пласты отваливаются в одну сторону и поверхность пахоты получается ровной, без разъёмных борозд и свальных гребней. В качестве недостатков оборотных плугов можно отметить наличие двойного числа корпусов, следовательно, и их высокая металлоемкость. Кроме того, сложность конструкции приводит к снижению показателей надежности оборотных плугов. Вследствие этого, в нашей стране оборотные плуги не получили широкого распространения.
Рис. 1.2. Оборотный плуг для гладкой пахоты
Разработана конструкция плуга для гладкой вспашки с поворотной в горизонтальной плоскости рамой, на которой закреплены рабочие органы (Рис. 1.3). Поворотная рама в свою очередь смонтирована на несущей раме и отклоняется на одинаковый угол в обе стороны относительно вертикально-поперечной плоскости, проходящей через ось поворота рамы.
Рис. 1.3. Плуг навесной для гладкой пахоты ПНГП-5-35
Были разработаны конструкции фронтальных и линейных плугов, обеспечивающих оборот пласта и укладку его в собственную борозду. В результате весь пахотный слой остается на месте, образуя слитную выровненную поверхность. ВИМ, МИИСП, ВИСХОМ совместно с ГСКБ ПО "Одессапочвомаш" создали конструкции линейных и фронтальных плугов [65,66,102,109]. Плуг фронтальный ПФН-2А (Рис.1.4) предназначен для гладкой вспашки старопахотных и задерненных почв. Плуг работает следующим образом: левые и правые корпуса с помощью заплужников производят оборот и рыхление почвенных пластов и укладывают их в собственную борозду. К недостаткам этих плугов можно отнести ограниченность условий, при которых они работоспособны, высокую металлоемкость и энергоемкость обработки почвы.
Рис.1.4.Плуг фронтальный Г1ФН-2А: а - схема фронтального плуга; б - схема оборота пласта
Разработана конструкция плуга, у которого часть отвала рабочего органа заменена вращающимся ротором, имеющим привод от вала отбора мощности трактора [109]. Промышленностью выпускается плуг ПВН-3-35 (Рис. 1.5). При работе плуга подрезаемый пласт поднимается по укороченному отвалу вверх и сдвигается вправо. При сходе с отвала пласт попадает на вращающийся ротор, который своими лопатками крошит его и сбрасывает в борозду. Использование плуга эффективно при подготовке почв под овощные культуры. К недостаткам можно отнести высокую энергоемкость обработки и сложность конструкции.
Рис. 1.5. Схема комбинированного плуга ПВН- 3-35
Качество основной обработки почвы в значительной степени определяется сроками её проведения. Выход за оптимальные сроки проведения работ приводит к изменению состояния почвы, увеличению затрат энергии на обработку, разрушению почвенной структуры и в конечном итоге к снижению урожая. Одним из путей сокращения сроков проведения обработки почвы, является повышение производительности почвообрабатывающих орудий.
Производительность орудия или машины, как показатель технического уровня, относится к группе показателей назначения. Производительность за час чистого эксплуатационного времени определяется по формуле:
W3=0.36*VP*BP (1.2)
где: Wp - часовая производительность орудия, га/ч;
Vp - рабочая скорость орудия, м/с; Вр - рабочая ширина захвата, м. Как видно из приведенной формулы производительность задается шириной захвата орудия и скоростью движения агрегата. С началом использования тракторной тяги при обработке почвы повышение производительности пахотных агрегатов осуществлялось за счет увеличения ширины захвата орудий, т.е. увеличения количества рабочих органов. К настоящему времени накоплен опыт по созданию 8-9-корпусных и даже 12-16-корпусных плугов с цельной рамой [33,65,101,103]. Рост числа корпусов приводит к увеличению длины плуга, из-за чего плуг плохо копирует рельеф обрабатываемого поля, не обеспечивая постоянство глубины обработки, создаются проблемы при заглублении и выглублении плуга. Для устранения этих недостатков разработаны конструкции плугов с сочлененной рамой, а также агрегаты, состоящие из нескольких плугов или плужных секций соединенных последовательно (прицепных) или параллельно (навесных), которые обеспечивают лучшее копирование рельефа, чем плуги с цельной рамой [36,38] (Рис. 1.6). Увеличение числа рабочих органов определяет необходимость использования мощной, тяжелой техники при обработке почвы. Кроме того, повышаются требования к прочности рамы и других несущих металлоконструкций орудия.
Рис. 1.6. Схемы многокорпусных секционных плугов; а -12-корпусный плуг ПШ-12-40М; б - 8-корпусный плуг фирмы «Кюн-хард»
Проводились работы по снижению массы и длины плугов за счет изменения размещения рабочих органов на раме. В ЧИМЭСХ разработаны конструкции секционных плугов с 2-рядным и 3-расположением рабочих органов [69]. (Рис. 1.7). Плуг имеет два или три ряда параллельно расположенных корпусов, причем каждая секция шарнирно присоединена к поперечному брусу, что обеспечивает копирование поверхности поля каждой секцией независимо друг от друга. Однако первые корпуса второй и третьей секций работают в закрытой борозде, что ухудшает качество вспашки, кроме того, увеличивается силовое нагружение этих корпусов.
а б
Рис. 1.7. Секционные плуги: а - двухрядный; б - трехрядный Предлагались схемы короткогабаритных плугов [65], у которых расстояние между корпусами уменьшалось за счет изменения их конструкций и элементов крепления, а также применения углоснимов и укороченных полевых досок. Однако такая конструкция не обеспечивает стабильной работы плуга при изменении почвенных условий. Хотя фирмой Kuhn-Huard предлагается пя-тикорпусный навесной плуг, укороченный на 20%, снабженный специальными ромбическими корпусами. Плуга имеется один предплужник, установленный перед первым корпусом и одну усиленную полевую доску, установленную на последнем корпусе. Плуг рекомендован для использования на легких и средних почвах.
Предлагался способ агрегатирования многокорпусных плугов - размещение их на передней и задней навесках трактора [65,66]. Достоинствами такого агрегата, получившего название «тяни-толкай» («push-pull») (Рис.1.8.), являются снижение тягового сопротивления и повышение производительности (на 10-15%), за счет равномерной загрузки передних и задних колес трактора, снижения буксования. Для такого способа агрегатирования отвальных плугов остались нерешенными следующие проблемы: избыточная нагрузка на трактор при одновременной работе обоих плугов, обеспечение устойчивого движения агрегата, повышенная нагрузка на тракториста, снижения безопасности при транспортном режиме движения агрегата.
Рис.1.8. Пахотный агрегат с оборотными плугами передней и задней навески Повышение эффективности вспашки достигается путем регулирования ширины захвата в процессе работы. К настоящему времени разработаны конструкции плугов с изменяемой шириной захвата, позволяющие выбирать оптимальную скорость движения и ширину захвата плуга [28,33,44,73]. Наиболее распространено изменение ширины захвата за счет плоскопараллельного перемещения корпусов (Рис.1.9.). Изменение осуществляется путем поворота несущего бруса рамы относительно навески и одновременного компенсирующего поворота корпуса относительно вертикальной оси, при этом геометрические параметры корпусов не изменяются. Одновременно с перемещением корпусов
изменяется положение плуга относительно трактора. Применение плугов с изменяемой шириной захвата позволяет выбирать оптимальный режим загрузки двигателя (максимальная производительность, снижение затрат на обработку почвы) и оптимальная скорость обработки почвы (качество обработки). Плуги с изменяемой шириной захвата разработаны в СКБ «Алтайсельмаш» (ПНИ-6-40) и ГСКБ «Почвомаш», ОАО «ВИСХОМ», СЗНИИМЭСХ (ПНИ-8/9-40) [65]. Однако плуги с изменяемой шириной захвата более сложны в изготовлении и обслуживании, и более металлоемки.
Рис. 1.9. Схема изменение ширины захвата за счет плоскопараллельного перемещения корпусов Повышение производительности почвообрабатывающих орудий за счет увеличения скорости обработки почвы потребовало разработки специальных корпусов с измененными углами постановки лемеха к стенке и дну борозды и комбинированной лемешно-отвальной поверхностью [26,27]. В настоящее время промышленностью выпускаются плужные корпуса для работы на различных скоростях: ПЛЕ-01(1,4-1,9 м/с), ПЛЕ-21(1,9-2,5 м/с), ПТК-21(2,3-2,8 м/с) [55]. Повышение скорости обработки почвы приводит к значительному увеличению затрат энергии на обработку почвы, т.к. зависимость тягового сопротивления от скорости обработки нелинейная [39,104]. Кроме того, значительно
возрастает силовое нагружение рабочих органов, что определяет более высокие требования к прочности отдельных деталей и плуга в целом.
Перспективным направлением в области разработки конструкций отвальных плугов является применение модульного принципа построения несущих систем, обеспечивающего высокий (до 90%) уровень унификации плугов [65,66,109]. Модульный принцип компоновки позволяет использовать широкий ряд сменных рабочих органов, комплектующих узлов и деталей.
Увеличение ширины захвата плугов, повышение скорости обработки почвы и другие изменения, вносимые в конструкции плугов, как правило, приводят к повышению силового нагружения рамы и других несущих металлоконструкций плуга, что приводит к увеличению их массы. Проводились работы по использованию материалов с повышенными механическими характеристиками для изготовления рам почвообрабатывающих орудий [76,118]. Применение проката из низколегированных сталей 4-33(18ЮТ) и 4-37(19ЮФТ) вместо проката из малоуглеродистых сталей СтЗ(КП, КС, СП) для изготовления рам плугов дает снижение металлоемкости навесных плугов на 2%, прицепных на 2,5% [119]. Значительное снижение массы несущих металлоконструкций плугов дает использование для их изготовления гнутых замкнутых профилей [76].
Одним из направлений повышения эффективности обработки почвы создание комбинированных агрегатов [77,104]. При их использовании за один проход выполняется несколько технологических операций, связанных с обработкой почвы, внесением удобрений, посевом, за счет чего достигается сокращение сроков выполнения работ, снижение вредного воздействия на почву, уменьшение затрат на обработку почвы.
Совершенствование и создание новых конструкций орудий для основной обработки направлены на повышение эффективности обработки почвы за счет улучшения качества обработки почвы, повышения производительности орудий и снижения затрат на проведение обработки.
1.3.2 Анализ направлений совершенствования рабочих органов почвообрабатывающих орудий
При совершенствовании плугов общего назначения направленных на повышение эффективности обработки почвы наибольшие изменения вносились в конструкции их рабочих органов.
Качество и энергоемкость основной обработки почвы определяется правильным выбором рабочих органов, наиболее соответствующих конкретным почвенно-климатическим, технологическим и производственным условиям. Вследствие этого имеется большое число исследований [26,27,38 и др.] направленных на исследование и разработку рабочих органов предназначенных для работы в различных условиях (типа и состояния почвы, скорости обработки и т.д.) и обеспечивающих высокое качество обработки при минимальном тяговом сопротивлении.
Основная обработка почвы является самой энергоемкой операцией при возделывании сельскохозяйственных культур. Поэтому задача снижения тягового сопротивления рабочих органов занимает приоритетное значение при совершенствовании почвообрабатывающих орудий.
Рис. 1.11. Рабочий орган с ромбовидным отвалом
Исследования показывают, что использование ромбовидных корпусов снижает затраты энергии на обработку почвы на 21-29% [80,123] (Рис. 1.10). Ромбовидный (с боковым лемехом) корпус имеет выпуклый криволинейный боковой обрез, что увеличивает на 60% площадь поперечного сечения открытой борозды.
Широкая борозда позволяет сократить потери на перекатывание и буксование трактора, если тот движется правыми колесами в борозде. Кроме того, авторами [84,80] указывается, что за счет перераспределения сил и моментов, действующих на рабочую поверхность ромбовидного корпуса со стороны почвы, снижается давление на полевые доски, что в свою очередь приводит к снижению тягового сопротивления рабочего органа в целом. Ромбические корпуса различных типоразмеров предлагают на рынке многие фирмы.
Снижение тягового сопротивления достигается при уменьшении по-верхности трения. Так, например, применение пластинчатого или пруткового отвала снижает тяговое сопротивление плужного корпуса на 12-15% [65,109]. Однако, прочность таких отвалов несколько ниже, чем сплошных. Зарубежными фирмами (Lemken, Rabewerk, Eberhardt и др.) разработаны и предлагаются пластинчатые отвалы для использования на тяжелых почвах (Рис. 1. 11.).
Рис. 1.11. Рабочий орган с пластинчатым отвалом Одним из путей снижения тягового сопротивления рабочих органов является уменьшение сил трения за счет использования различных материалов, смазок. Проводились исследования покрытий из синтетических полимерных материалов (например: фторопласт, полиэтилен ВД), имеющих значительно меньшие коэффициенты трения по почве, чем у стали [71,104,119]. Использование полимерных покрытий дает значительное (до 20%) снижение тягового сопротивления, однако, практическое применение покрытий затруднено из-за сложности нанесения, а также необходимости частой замены покрытия.
Использование различных смазок, подаваемых на рабочие поверхности плужного корпуса, позволяет достичь некоторого снижения тягового сопро-
тивления, которое не компенсирует затраты на доставку и внесение смазки [109]. Применение воздушной подушки между пластом и отвалом оказалось невозможным из-за непостоянства давления почвы в различных точках рабочей поверхности, наличия трещин и разрывов в почвенном пласте [71].
Проводились исследования по замене части поверхности скольжения поверхностями качения (катками или роликами). Использование роликов вместо полевых досок приводит к снижению на некоторых типах почв тягового сопротивления рабочего органа на 8-10%) [91,80,132]. Но на влажных почвах происходит залипание роликов, из-за чего плуг становится неработоспособным.
Снижение затрат энергии на обработку почвы достигается при использовании упругого крепления рабочих органов. Значительные результаты достигнуты в использовании упругого крепления рабочих органов орудий для сплошной обработки почвы [56,98]. Проводились исследования по изучению влияния упругого крепления рабочих органов плуга на характер их взаимодействия с почвой, технологические, энергетические и качественные показатели обработки почвы [62,79,99,100 и др.]. Результаты исследований показывают, что при уменьшении жесткости крепления рабочих органов плуга возможно снижение тягового сопротивления до 20%. Однако в большинстве конструкций снижение жесткости крепления достигается за счет использования дополнительного упругого элемента или специальных упругих стоек, что приводит к усложнению конструкции, снижению её надежности, повышению стоимости.
Снижение тягового сопротивления почвообрабатывающих орудий достигается при использовании вибраторов, задающих вынужденные колебания рабочим органам. Хотя при этом достигается значительное (до 30%о) снижение тягового сопротивления орудия, суммарные затраты на обработку почвы зачастую выше, чем без вибраторов [47,51,54].
В общих затратах на обработку почвы значительную долю занимают затраты на приобретение почворежущих деталей пришедших в негодность в ре-
зультате абразивного износа. В процессе работы плуга наибольшему абразивному износу подвергаются лемеха и полевые доски. К настоящему времени разработано множество способов повышения износостойкости основных почворежущих деталей за счет использования биметаллического проката, нанесения твердого сплава, керамических материалов, точечного упрочнения, горячей вальцовке лезвия, намораживания чугуна [16,22,57 и др.]. В различное время проводились работы по повышению износостойкости основных почворежущих деталей за счет гальванического и термодиффузионного хромирования, бори-рования, электроискрового упрочнения, легирования лезвия в процессе отливки стального лемеха. Использование этих способов упрочнения дает повышение износостойкости почворежущих деталей, но зачастую не оправдывает сложность и дороговизну технологического процесса.
В настоящее время для повышения износостойкости выпускаемых промышленностью основных почворежущих деталей используются сплавы типа "сормайт", использование которых повысило почти в 3 раза ресурс лемехов в сравнении с ненаплавленными [92].
Ведутся работы по повышению ресурса основных почворежущих деталей за счет изменения их конструкций. Разработаны и испытаны конструкции составных, зубчатых, реберчатых, симметричных оборотных лемехов [5,53,57,73 и др.]. Применение таких конструкций лемехов затруднено из-за сложности их изготовления.
Интенсивный износ носка лемеха в процессе работы определяет разработку и использование различных конструкций долот, накладок, позволяющих значительно повысить ресурс лемеха. Известны конструкции плужных корпусов с различными типами долот [8,9,37 и др.]. В Новосибирском ГАУ разработана конструкция плужного корпуса с накладным выдвижным долотом [7,75], позволяющим компенсировать износ носка лемеха и полевого обреза отвала за счет перестановки долота.
Рис. 1.12.Рабочий орган плуга-рыхлителя ПРУН
Использование различных конструкций долот, накладок приводит, как правило, к увеличению тягового сопротивления рабочего органа, изменению характера силового нагружения рабочего органа.
Рис. 1.13 .Рабочий орган плуга ПБС
Наибольшее применение в настоящее время получили традиционные плужные корпуса, состоящие из следующих элементов: отвал - грудинка, крыло и удлинитель отвала, лемех, полевая доска. Однако в настоящее время появились конструкции рабочих органов, в которых отсутствуют отдельные детали, например лемех (Рис.1.12.), или когда рабочая поверхность состоит из трех деталей (Рис.1.13.).
Разработаны конструкции чизельных рабочих органов для основной обработки почвы с прямой и наклонной стойкой, которые могут устанавливаться на серийные плужные рамы (Рис. 1.14.).
о о ОІ
2,.
Е-—*&—.
Рис.1.14,Чизельные рабочие органы с прямой (а) и наклонной (б) стойками
Разработаны [23] комбинированные чизельно-отвальные рабочие органы (Рис, 1.15.), которые решают проблему борьбы с сорняками, заделку их в почву на указанную оптимальную глубину. При этом конструкция рабочего органа
Рис. 1.15. Чизельно-отвальный рабочий орган
обеспечивает изменение высоты расположения отвала относительно долота.
В Сибирском научно-исследовательском институте механизации и электрификации сельского хозяйства к отвальным плугам разработаны сменные рабочие органы, позволяющие выполнять кроме отвальной вспашки безотвальную обработку (Рис. 1.16.), её' разноглубинный вариант, а также щелевание почвы.
Рис. 1.16. Плуг со стойками СибИМЭ Изменения в конструкциях рабочих органов орудий для основной обработки почвы приводит к изменению характера силового нагружения отдельных деталей рабочего органа, а также деталей служащих для закрепления элементов рабочих поверхности (башмак, стойка). Все это требует проведения исследований силового нагружения стойки рабочего органа при внесении изменений в конструкции рабочих органов.
1.4 Направления исследований по обоснованию
конструктивных параметров стоек рабочих органов
почвообрабатывающих орудий
Работы многих научно-исследовательских и опытно-конструкторских организаций направлены на создание новых и совершенствование существующих конструкций почвообрабатывающих орудий с целью повышения эффективности обработки почвы. В СССР обширные исследования проводились во Всесоюзном институте сельскохозяйственного машиностроения (ВИСХОМ), Всесоюзном институте механизации (ВИМ), Челябинском институте механизации и электрификации сельского хозяйства (ЧИМЭСХ), ГСКБ завода "Ал-тайсельмаш" (г.Рубцовск), ГСКБ завода "Одессельмаш" (г.Одесса), ГСКБ про-тивоэрозионной техники (г.Целиноград). В современных условиях многие из этих организаций продолжают заниматься исследованиями в области создания и совершенствования почвообрабатывающей техники.
Большой вклад в решение задач по повышению показателей технического уровня почвообрабатывающих орудий внесли ученые: Г.И.Синеоков, И.М.Панов, Е.П.Огрызков, М.М.Тенненбаум, Н.З.Циммерман, В.А.Сакун, И.П.Бурченко, Л.Д.Тураев и многие другие.
Из-за несимметричности плужного корпуса и сложного характера сил, действующих на лемешно-отвальную поверхность силовое нагружение стойки зависит от её расположения относительно лемешно-отвальной поверхности. Традиционно стойка располагается у полевого обреза плужного корпуса. Расчеты стойки на прочность при её традиционном расположении приводятся в работах многих авторов [38,68,78,122]. Однако в этих работах не рассматривается возможность изменения расположения стойки относительно лемешно-отвальной поверхности.
Возможность изменение расположения стойки плужного корпуса относительно лемешно-отвальной поверхности с целью снижения её силового на-гружения рассмотрена в Л.Д.Тураева [113,114,115]. В этих работах обосновы-
вается величина расчетного нагружения стойки плужного корпуса, проводится расчет на прочность при традиционном её расположении. В качестве расчетного нагружения стойки рекомендуется нагрузка, возникающая на лемешно-отвальной поверхности первого корпуса без полевой доски при проходе плугом первой борозды. Обоснованы коэффициенты, позволяющие использовать для прочностных расчетов стойки экспериментальные данные, полученные для нормальных условий эксплуатации. Проведенный расчет стойки на прочность показывает высокий уровень эквивалентных напряжений, возникающих в опасных сечениях стойки. Сделан вывод, расположение стойки относительно лемешно-отвальной поверхности выбрано без учета реальных сил.
Известны почвообрабатывающие орудия [10,14], у которых стойки расположены в средней части рабочей поверхности. Однако в этих конструкциях не обосновано расположение стойки именно в средней части лемеха или отвала.
Во всех конструкциях рабочих органов отечественных плугов общего назначения стойки расположены у стенки борозды, при этом расстояние от стенки борозды до центра сечения стойки составляет от 0,045 до 0,065м, независимо от профиля стойки. Только у стойки СИБИМЭ расстояние от стенки борозды до центра сечения стойки несколько больше и составляет 0,09-0, Юм.
До настоящего времени мало исследован вопрос о влиянии координат расположения стойки несимметричных рабочих органов орудий для основной обработки почвы на величины и характер силового нагружения стойки. Не обоснованы оптимальные координаты расположения стойки плужного корпуса для различных форм лемешно-отвальных поверхностей, технологических режимов обработки почвы, свойств обрабатываемой почвы.
С 1983 года введен отраслевой стандарт "Стойки плугов общего назначения и лемешных лущильников" [82], по которому, а также из анализа конструкций отечественных и зарубежных плугов, стойки рабочих органов в зави-
симости от формы сечения можно разделить на несколько типов: сплошного сечения, полые простого сечения, полые сложного сечения.
Массовое применение на отечественных плугах нашли стойки сплошного прямоугольного сечения (корпуса ПЛЕ 21, ПЛЕ 01, ПЛЖ 31), выпускаемые АО "Алтайсельмаш-Холдинг". Стойки прямоугольного сечения применяются на плугах выпускаемых фирмами "Раба-Дьер" (Венгрия), "Кондор", "Лемкен" (Германия) (Рис. 1.18.).
Рис.1.18. Стойки прямоугольного (а) и сложного сечения (б)
Полые стойки простого сечения используются на рабочих органах, выпускаемых заводом "ОдессапочвомапГ. Стойки круглого сечения используются на корпусах ПЛЕ 21 и ПЛЖ 31. Литые стойки, имеющие сечение в виде полого эллипса, устанавливаются на корпусах ПЛЕ 21.
На плугах, выпускаемых фирмами "Хуард", "Лозанж" (Франция), применяются сварные стойки, имеющие сечения сложной формы {Рис. 1.18.).
В конструкциях отечественных плугов используются стойки сплошного сечения и стойки, имеющие сечения простейшей формы (кольцо, полый эллипс), которые не отвечают современным требованиям прочности и материалоемкости. Так, например, общая масса корпуса ПЛЖ 31.000 равна 55кг, при этом масса деталей формирующих рабочую поверхность (лемех, грудь отвала, крыло отвала, полевая доска) составляет 20кг. Детали, служащие для закрепле-
ния основных почворежущих деталей занимают более 55% от общей массы рабочего органа. Одной из причин этого является то, что форма стойки сплошного сечения выбирается только исходя из требований технологии изготовления, без учета реальных сил, действующих на стойку.
Исследования многих ученых связаны с изучением влияния жесткости стоек рабочих органов на работу почвообрабатывающих орудий [79,98,99,100 и др.]. Значительные результаты достигнуты в создании орудий для поверхностной обработки почвы. Скромнее выглядят результаты изучения жесткости стоек рабочих органов для орудий основной обработки почвы.
Рис. 1.19. Корпус плуга с рессорной стойкой, разработанный А.Крюковым
Одним из первых таких орудий для основной обработки почвы был плуг с упругой стойкой, исследования которого проводил А.Крюков из Белорусской с.х. академии [62]. Стойка корпуса плуга, изготовленная из рессоры 2 (Рис. 1.19), не только вызывает колебания рабочего органа 1, но и значительно усиливает их, за счет чего снижается величина сопротивления резанию почвы. При этом указывается, что достигается снижение тягового сопротивления рабочего органа на 17-20%.
Рис. 1.20. Ах. СССР 419194
Проводились исследования плугов, у которых в подвеску рабочих органов вводился дополнительный упругий элемент. В институте механизации с.х. сельскохозяйственной академии (г. Люблин, Польша) [79] был разработан рабочий орган, у которого в подвеску введена вальцевая пружина. Полученные результаты исследований не позволяют однозначно оценить эффективность применения корпусов с вальцевыми элементами. Исследования показали, что энергетический эффект достигается при определенных почвенных условиях, заданных рабочих скоростях и глубинах обработки. Результатом работ является вывод, что колебания корпуса, вызванные упругой подвеской позволяют значительно снизить тяговое сопротивление.
Разрабатывались конструкции почвообрабатывающих орудий [11,13], у которых с целью снижения тягового сопротивления рабочие орган может совершать автоколебания в направлении наибольшего сопротивления почвы. Для этого, в конструкции введен упругий элемент в виде тарельчатой пружины или в виде пакета пластинчатых пружин (Рис. 1.20.). Известно достаточно много рабочих органов [1,15 и др.] в конструкциях которых использован упругий элемент в подвеске рабочего органа. К недостаткам описанных выше устройств
можно отнести усложнение конструкций, что приводит к снижению показателей надежности орудий в целом.
Г.А.Рябцевым [98,99,100] проводились обширные исследования влияния упругой подвески рабочих органов на технологические показатели работы почвообрабатывающих орудий. Сделан вывод о значительном влиянии упругой подвески на технологические показатели работ почвообрабатывающих орудий. Указано, что упругая подвеска способствует значительному снижению тягового сопротивления. Сделан вывод о целесообразности применения почвообрабатывающих орудий с упругой подвеской рабочих органов на плотных, связных почвах.
Несмотря на большое количество исследований, посвященных изучению влияния жесткости крепления рабочих органов на тяговое сопротивление орудия, остается недостаточно изученным влияние жесткости стоек без дополнительного упругого элемента на тяговое сопротивление рабочих органов орудий для основной обработки почвы. Не обосновано, в каких пределах можно достичь снижения тягового сопротивления рабочих органов при изменении жесткости конструкционной жесткости стоек. Не изучено влияние изменения конструкционной жесткости стоек на тяговое сопротивление рабочих органов, частоту и амплитуду колебаний стойки при различных условиях проведения обработки и различных режимах работы плуга.
1.5 Выводы, цель и задачи исследований Из приведенного выше анализа видно, что выпускаемые промышленностью стойки не отвечают современным требованиям металлоемкости. По массе детали, служащие для закрепления основных почворежущих деталей занимают более половины массы рабочего органа. Профиль и размеры стоек рабочих органов плуга выбраны исходя из требований технологии изготовления. Координаты расположения стойки плужного корпуса выбраны по традиции, без учета реальных сил, действующих на лемешно-отвальную поверхность. Не проводились работы по обоснованию жесткости стоек рабочих органов плуга с целью снижения тягового сопротивления. Существующие конструкции стендов для испытаний почвообрабатывающих орудий не обеспечивают получения достоверных результатов испытаний на надежность.
Это послужило основанием для выбора данной темы исследований: Цель исследований: повышение эффективности обработки почвы за счет снижения тягового сопротивления и уменьшения металлоемкости рабочих органов почвообрабатывающих орудий.
Объект исследований: процесс силового нагружения стойки рабочего органа плуга при выполнении вспашки.
Предмет исследований: закономерности изменения силового нагружения стойки рабочего органа от её конструктивных параметров, глубины и скорости обработки.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
установить влияние координат расположения стойки на её силовое на-гружение и обосновать их оптимальное значение.
выявить закономерности влияния конструктивных параметров стойки на тяговое сопротивление рабочего органа, частоту и амплитуду колебаний.
- разработать методику определения рациональных конструктивных параметров различных профилей стойки с учетом величины и характера силового нагружения рабочего органа.
